Magnetinė keramika, oksido medžiagos, pasižyminčios tam tikru nuolatinio įmagnetinimo būdu, vadinamu ferrimagnetizmu. Komercine prasme paruošta magnetinė keramika naudojama įvairiuose nuolatinio magneto, transformatoriaus, telekomunikacijų ir informacijos įrašymo įrenginiuose. Straipsnyje aprašoma pagrindinių magnetinių keramikos medžiagų sudėtis ir savybės bei apžvelgiamos jų pagrindinės komercinės priemonės.
Feritai: sudėtis, struktūra ir savybės
Magnetinė keramika yra pagaminta iš feritų, kurie yra kristaliniai mineralai, sudaryti iš geležies oksido kartu su kitu metalu. Jiems suteikiama bendra cheminė formulė M (Fe x O y), M reiškia kitus metalinius elementus nei geležis. Labiausiai žinomas feritas yra magnetitas, natūraliai esantis juodasis feritas (Fe [Fe 2 O 4] arba Fe 3 O 4), paprastai žinomas kaip lodestonas. Magnetinės magnetinės savybės kompasuose buvo naudojamos nuo seno.
Feritų demonstruojamas magnetinis elgesys vadinamas ferimagnetizmu; jis visiškai skiriasi nuo įmagnetinimo (vadinamo feromagnetizmu), kurį demonstruoja metalinės medžiagos, tokios kaip geležis. Feromagnetikoje yra tik vienos rūšies grotelės, o nesusiję elektronai „sukasi“ (elektronų judesiai, sukeliantys magnetinį lauką), išdėstyti viena kryptimi tam tikroje srityje. Ferrimagnetizme, kita vertus, yra daugiau nei vienos rūšies grotelės, o elektronų sukiniai išlyginti, kad prieštarautų vienas kitam - kai kurie yra „sukasi aukštyn“, o kiti - „sukasi žemyn“ tam tikroje srityje. Neišsamus priešingų sukinių atšaukimas sukelia grynąją poliarizaciją, kuri, nors ir šiek tiek silpnesnė nei feromagnetinių medžiagų atveju, gali būti gana stipri.
Trys pagrindinės klasės feritai yra gaminami iš magnetinės keramikos gaminių. Remiantis jų kristalų struktūra, jie yra špindeliai, šešiakampiai feritai ir granatos.
Spinels
Špindeliai turi formulę M (Fe 2 O 4), kur M paprastai yra dvivalentis katijonas, toks kaip manganas (Mn 2+), nikelis (Ni 2+), kobaltas (Co 2+), cinkas (Zn 2+), varis (Cu 2+) arba magnis (Mg 2+). M taip pat gali reikšti monovalentinį ličio katijoną (Li +) ar net laisvas darbo vietas, jei šiuos teigiamo krūvio nebuvimą kompensuoja papildomi trivalentiniai geležies katijonai (Fe 3+). Deguonies anijonai (O 2−) turi glaudžiai supakuotą kubinių kristalų struktūrą, o metalų katijonai užima tarpus pagal neįprastą dviejų gardelių išdėstymą. Kiekvienoje vienetinėje ląstelėje, turinčioje 32 deguonies anijonus, 8 katijonai yra koordinuojami 4 deguonies (tetraedrinės vietos), o 16 katijonų - 6 deguonies (oktaedrinės vietos). Antivirusinis išlyginimas ir neišsamus magnetinių sukinių atšaukimas tarp dviejų posluoksnių lemia nuolatinį magnetinį momentą. Špindeliai yra kubinės struktūros ir neturi pageidaujamos įmagnetinimo krypties, todėl jie yra „minkšti“ magnetiškai; y., gana lengva pakeisti įmagnetinimo kryptį pritaikius išorinį magnetinį lauką.
Šešiakampiai feritai
Vadinamieji šešiakampiai feritai turi formulę M (Fe 12 O 19), kur M paprastai yra baris (Ba), stroncis (Sr) arba švinas (Pb). Krištolo struktūra yra sudėtinga, tačiau ją galima apibūdinti kaip šešiakampę su unikalia c ašimi arba vertikalia ašimi. Tai yra lengva pagrindinės struktūros įmagnetinimo ašis. Kadangi įmagnetinimo krypties negalima lengvai pakeisti į kitą ašį, šešiakampiai feritai yra vadinami „kietaisiais“.
Granatos feritai
Granatos feritai turi silikato mineralinio granato struktūrą ir cheminę formulę M 3 (Fe 5 O 12), kur M yra ittris arba retųjų žemių jonas. Be tetraedrinių ir oktaedrinių vietų, tokių, kaip matyti spiningais, granatos turi dodekaedrines (12 koordinuotų) vietas. Taigi grynasis ferrimagnetizmas yra sudėtingas antiparallelio sukinio suderinimo tarp trijų tipų vietų rezultatas. Granatai taip pat yra magnetiškai kieti.
Keraminių feritų apdorojimas
Keraminiai feritai gaminami tradiciniais sumaišymo, kalcinavimo, presavimo, šaudymo ir apdailos etapais. Būtina kontroliuoti katijonų sudėtį ir dujų atmosferą. Pavyzdžiui, spinelio feritų prisotinimo magnetizacija gali būti labai padidinta daliniu Zn (Fe 2 O 4) pakeitimu Ni (Fe 2 O 4) arba Mn (Fe 2 O 4). Cinko katijonai teikia pirmenybę tetraedrinei koordinacijai ir priverčia papildomą Fe 3+ ant oktaedrinių vietų. Tai lemia mažesnį sukinių atšaukimą ir didesnį prisotinimo įmagnetinimą.
Pažangusis perdirbimas taip pat naudojamas ferito gamyboje, įskaitant nusodinimą, džiovinimą užšaldant, skrudinimą purškiant ir solo-gelio apdorojimą. (Šie metodai aprašyti pažengusioje keramikoje.) Be to, pavieniai kristalai auginami ištraukiant iš kaitintų lydytų medžiagų (Czochralski metodas) arba gradientuojant lydytuosius lydinius (Bridgmano metodas). Feritai taip pat gali būti nusodinami kaip plonos plėvelės ant tinkamų substratų cheminiu būdu nusodinant garus (CVD), skystosios fazės epitaksi (LPE) ir purškiant. (Šie metodai aprašyti kristaluose: Kristalų augimas: augimas iš lydymosi.)
Programos
Nuolatiniai magnetai
Kietieji magnetiniai feritai naudojami kaip nuolatiniai magnetai ir šaldytuvo sandarinimo tarpinėse. Jie taip pat naudojami mikrofonuose ir garsiakalbių tarpinėse. Didžiausia nuolatinių magnetų rinka yra mažuose belaidžių prietaisų varikliuose ir automobiliuose.
